Düşük maliyetli İyonik Sıvılar ile Lignoselülozik Biyokütle tedavi öncesi
Summary
The pretreatment of lignocellulosic biomass with protic low-cost ionic liquids is shown, resulting in a delignified cellulose-rich pulp and a purified lignin. The pulp gives rise to high glucose yields after enzymatic saccharification.
Abstract
A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of a variety of lignocellulosic feedstocks. Here we demonstrate the use of these low-cost protic ILs in the deconstruction of lignocellulosic biomass (Ionosolv pretreatment), yielding cellulose and a purified lignin. In the most generic process, the protic ionic liquid is synthesized by accurate combination of aqueous acid and amine base. The water content is adjusted subsequently. For the delignification, the biomass is placed into a vessel with IL solution at elevated temperatures to dissolve the lignin and hemicellulose, leaving a cellulose-rich pulp ready for saccharification (hydrolysis to fermentable sugars). The lignin is later precipitated from the IL by the addition of water and recovered as a solid. The removal of the added water regenerates the ionic liquid, which can be reused multiple times. This protocol is useful to investigate the significant potential of protic ILs for use in commercial biomass pretreatment/lignin fractionation for producing biofuels or renewable chemicals and materials.
Introduction
Toplantı insanlığın enerji ihtiyacının sürdürülebilir bizim medeniyet karşısına çıkan en büyük zorluklardan biridir. Enerji kullanımı fosil yakıt kaynaklarının daha büyük yük bindirerek, önümüzdeki 50 yıl içinde ikiye katlanması bekleniyor. 1 CO 2 yanmasından oluşan olarak yaygın fosil yakıt kullanımı yoluyla atmosferdeki sera gazlarının (SG) birikimi, özellikle sorunlu fosil yakıtlar insan kaynaklı sera etkisinin% 50 sorumludur. 2 Bu nedenle, yenilenebilir ve karbon nötr teknolojilerin büyük ölçekli uygulama gelecek nesillerin artan enerji ve malzeme ihtiyaçlarının karşılanması için gereklidir. 1, 3
ısı, elektrik olarak karbon bazlı kimyasallar, malzeme ve yakıt üretmek için kullanılabilir gibi bitki biyokütle, çok yönlü, yenilenebilir bir kaynak. diğer biyokütle türleri üzerinde lignoselülozik biyokütle başlıca avantajları yüksek verim pe için bolluk, potansiyel vardırToprakta karbon yüksek tutulmasını içeren arazi ve sık sık çok daha yüksek CO2 emisyonu tasarrufu r alanı. 4, biyokütle kullanarak 5 ek faydaları yerel kullanılabilirlik, enerji biyokütle dönüştürmek için düşük sermaye gereksinimleri ve toprak erozyonu önleme sayılabilir. 8
Lignoselülozik hammaddelerin büyük üreticileri orman endüstrisi ve tarım sektörü yanı sıra belediye atık yönetimi vardır. 6 Lignoselluloz üretim ormansızlaşmanın sınırlayan ve gıda bitkileri ve potansiyel kirletici salım değiştirilmesini önlemek için bir zihin ile, genişletilmiş potansiyeline sahiptir. 7 sıvı ulaşım yakıtları ve kimyasalların uygun bir yaygın kaynağı haline yenilenebilir biyokütle, onun işleme fosil yakıt dönüşüm teknolojileri ile ekonomik olarak rekabet edebilir hale gerekir. 9, 10 bu gerçekleştirilmesinde önemli bir nokta azaltırken verim ve biyokütle kaynaklı ara kalitesini artırmak için maliyeti. </ P>
Lignoselüloz katalitik ve mikrobiyal dönüşüm yoluyla yakıt ve kimyasal dönüştürülebilir şekerlerin yüksek oranda içerir. 11. Bu şekerler, selüloz ve hemiselüloz gibi polimerik formda lignoselüloz mevcuttur. Glikoz ve diğer şeker monomerlere hidrolize edildi ve daha sonra biyo-etanol ve diğer biyolojik kökenli kimyasal ve çözücü üretilmesi için de kullanılabilir. 12
Selülozik şekerler ulaşmak için, biyo-kütlenin ön-muamele, fiziksel, kimyasal ya da kombine işlemler aracılığıyla gereklidir. 4 ön-muamele muhtemelen lignoselülozik biyokütle değerli kılma en maliyetli bir adımdır. geliştirilmiş ön süreçlerine dolayısıyla araştırma zorunludur.
Çeşitli ön teknolojiler mevcuttur. Özellikle ilgi çekici selüloz (fractionative ön) Lignini ayrı olanlardır. Lignin, bir üçüncü ana bileşen olarakLignoselüloz, selüloz ve hemiselüloz ajanlar hidrolize sınırları ile erişim ve ham tonu başına şeker verimi azaltır. 11 bu kalite uygun izole edilir, ayrıldığında lignin ara madde ilave biorefinery olarak kullanılabilir. 13 bir fractionative işlemi Kraft işlemdir kağıt / selüloz üretimi için en yaygın ön-. Kraft pulplama prosesinde, odun yongaları, yüksek basınç altında yaklaşık 170 ° C arasında yükseltilmiş sıcaklıklarda, sodyum hidroksit ve sodyum sülfit ve ısıtılmış bir karışımı yerleştirilir. 14 alkalin reaksiyonlar nükleofilik üzerinden kısa fragmanlara aşağı polimerleri kırarak hemiselüloz ve ligninden kaldırıp ve fenolik hidroksil / alkol gruplarının de-protonasyon yoluyla lignin parçaları eriterek baz kataliz. Başka bir ortak delignifikasyonu süreci de parçaladı ve lignin ve hemiselüloz çözer organosolv süreçtir. Bunun yerine bir alkalin aqueo kullanarak dahaUS Çözelti etanol ve asetik asit gibi organik çözücüler, 5-30 bar 160-200 ° C ve basınçlar arasında değişen yüksek bir sıcaklıkta kullanılır. Organosolv ön daha az hava ve su kirliliği üreten ki hamur haline Kraft göre bazı avantajları vardır. Ziyade kimyasal madde ve yakıtların üretimi için kullanılması durumunda 15 Her iki süreç, bazı ekonomik zorluklarla sahip selüloz. 16 Ionosolv ön tuzları iyonik sıvılar, kullanan , güçlü sterik etkileşimler, çok düşük buhar basınçları nedeniyle, 100 ° C'nin altında bir erime noktasına sahip ve. 17 Bu ön-muamele işleminde, hava kirliliği ortadan kaldırır ve az ya da atmosfer basıncına yakın işlem sağlar.
En IL'ler zahmetli, çok-aşamalı sentezler oluşturulan birlikte, protik IL'ler onları daha az pahalı hale getirir meta kimyasallardan tek aşamalı bir işlem, içinde sentezlenebilir; bazı ILs bir için toplu ölçekte üretilebilir tahmin edilmektedirörneğin aseton ve tolüen yer alır. 18 nispeten düşük sıcaklıklarda ve basınçlarda çalışan bir işlemde, bu özelleştirilebilir ILS geri kazanım ve yeniden becerisi gibi yaygın organik çözücü ile karşılaştırılabilir kg başına 1,24 $ fiyatı daha ılımlı bir alternatif ve ekonomik açıdan cazip bir aday Bu da Biorefining için.
Bu ayrıntılı video protokol lignoselülozik biyokütle ve selüloz bakımından zengin hamuru nihai enzimatik sakarifikasyon ve yüksek saflıkta kokusuz ligninin geri Delignifikasyonun için Ionosolv işlemin laboratuar ölçekli olarak gösterir. 19
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada yer alan lignoselülozik biyokütle fraksiyonasyon için bir teknik, selüloz bakımından zengin hamuru ve lignin üretir. hemiselülozlar çoğu iyonik sıvı içinde çözülür ve hidroliz, ancak geri verilmez. hemiselüloz, şekerler istenirse, Ionosolv odunsuzlaştırılmasında önce hemiselüloz ön-ekstraksiyon aşaması gerekli olabilir. Şimdiye kadar iyonik sıvı içki bulunan tüm bozunma ürünleri, lignin kaynaklanan özellikle olanlar belirlemek ve ölçmek mümkün değildir tam olarak, biyoküt…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar çam pretreatments için deneysel veriler sağlamak için İklim Değişikliği ve Çevre, İklim-KIC ve EPSRC (EP / K038648 / 1 ve EP / K014676 / 1) finansmanı için ve Pierre Bouvier Grantham Enstitüsü kabul.
Materials
| IL synthesis | ||||
| Round bottom flask, with standard ground joint 24/29 NS, 1000 ml | Lenz | 3 0024 70 | VWR product code 271-1309 | |
| 250mL Addition Funnel, Graduated, 29/26 Joint Size, 0-4mm PTFE Valve | GPE | CG-1714-16 | ||
| Dish-shaped dewar flask, SCH 31 CAL | KGW-Isotherm | 1197 | ||
| Volumetric flask, 200 ml | VWR | 612-3745 | ||
| Cork rings, pasteur pipettes and teet, wash bottle with deionised water, large magentic stir bar | ||||
| Biomass size reduction | ||||
| Heavy Duty Cutting Mill SM2000 | Retsch | Discontinued | Replaced with Cutting Mill SM 200 (20.728.0001) | |
| Bottom sieves (10 mesh square holes, for particle size <2 mm) | Retsch | 03.647.0318 | Part of cutting mill | |
| Analytical Sieve Shaker AS 200 | Retsch | 30.018.0001 | Part of sieving machine | |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (180 µm) | Retsch | 60.131.000180 | Part of sieving machine | |
| Test Sieve 200 mm Ø x 50 mm height ISO 3310/1 (850 µm) | Retsch | 60.131.000850 | Part of sieving machine | |
| Collecting pan, stainless steel, 200 mm Ø, height 50 mm | Retsch | 69.720.0050 | Part of sieving machine | |
| Rotary evaporator: | ||||
| Rotary evaporator (Rotavapor R-210) | Buchi | Discontinued | Replaced with Rotavapor R-300 | |
| Water bath (Heating bath B-491) | Buchi | 48201 | Part of rotary evaporator | |
| Recirculator | Julabo | F25 | Part of rotary evaporator | |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of rotary evaporator | |
| Vacuum controller (Vacuum Control Box VCB 521) | Ilmvac GmbH | 600053 | Part of rotary evaporator | |
| Parallel evaporator: | ||||
| StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of parallel evaporator | |
| Monoblock for 5 x 250ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of parallel evaporator | |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of parallel evaporator | |
| Gas/Vacuum Manifold with connectors | Radleys | RR95510 | Part of parallel evaporator | |
| 650mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of parallel evaporator | |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of parallel evaporator | |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor | |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor | |
| Elliptical Stirring Bar 15mm Rare Earth | Radleys | RR98097 | Part of parallel evaporator | |
| Vacuum cold trap, plastic coated, PTFE stopcock | Chemglass | CG-4519-01 | Part of parallel evaporator | |
| Vacuum pump (MPC 101 Z) | Ilmvac GmbH | 412522 | Part of parallel evaporator | |
| Tygon tubing E-3603, 6,40 mm (internal) 12,80 mm (external) | Saint-Gobain/VWR | 228-1292 | Part of parallel evaporator | |
| Parallel Soxhlet extractor: | ||||
| StarFish Base Plate 135mm (for Radleys & IKA) | Radleys | RR95010 | Part of soxhlet extractor | |
| Monoblock for 5 x 250ml Flasks | Radleys | RR95130 | Part of soxhlet extractor | |
| Telescopic 5-way Clamp with Velcro | Radleys | RR95400 | Part of soxhlet extractor | |
| Telescopic 5-way Clamp with Silicone Strap and Long Handle | Radleys | RR95410 | Part of soxhlet extractor | |
| Water Manifold with connectors | Radleys | RR95500 | Part of soxhlet extractor | |
| 650mm Rod | Radleys | RR95665 | Part of soxhlet extractor | |
| Quick Release Male, R/A Barbed 6.4mm + Shut-off (3.2mm ID) | Radleys | RR95520 | Part of soxhlet extractor | |
| Coil condensers with standard ground joints 29/32 NS | Lenz | 5.2503.04 | Part of soxhlet extractor | |
| Extractor Soxhlet 40mL borosilicate glass 29/32 socket 24/29 cone | Quickfit | EX5/43 | Part of soxhlet extractor | |
| Stirrer/hot plate | Radleys | RR98072 | Part of soxhlet extractor | |
| Temperature controller | Radleys | RR98073 | Part of soxhlet extractor | |
| Recirculator | Grant | LTC1 | Part of soxhlet extractor | |
| Cellulose extraction thimble | Whatman | 2280-228 | ||
| Tweezers | Excelta | 20A-S-SE | ||
| Vacuum drying oven: | ||||
| Vacuum drying oven | Binder | VD 23 | Part of vacuum oven | |
| Dewar vessel 2L 100x290mm with handle | KGW-Isotherm | 10613 | Part of vacuum oven | |
| Vacuum Trap | GPE | CG-4532-01 | Part of vacuum oven | |
| Other equipment: | ||||
| Analytical balance | A&D | GH-252 | accuracy to ± 0.1 mg | |
| Volumetric Karl Fischer titrator | Mettler Toledo | V20 | ||
| 10 mL disposable pipette | Corning Inc | Costar 4101 10 mL Stripette | ||
| Eppendorf Research plus pipette, variable volume, volume 100-1000 μL | Eppendorf | 3120000062 | ||
| Desiccator | Jencons | JENC250-028BOM | ||
| Ace pressure tube bushing type, Front seal, volume 15 mL | Ace Glass | 8648-04 | ||
| Ace O-rings, silicone, 2.6 mm, I.D. 9.2 mm | Ace Glass | 7855216 | O-ring for pressure tube | |
| Vortex shaker | VWR International | 444-1378 (UK) | ||
| Fan-assisted convection oven | ThermoScientific | HeraTherm OMH60 | ||
| Oven glove (Crusader Flex) | Ansel Edmont | 42-325 | ||
| 250 mL Round bottom flask single neck ground joint 24/29 (Pyrex) | Quickfit | FR250/3S | ||
| Rotaflo stopcock adapter with cone 24/29 | Rotaflo England | MF11/2/SC | ||
| 50 mL Falcon tube | Heraeus/Kendro | HERA 76002844 | ||
| Centrifuge (Mega Star 3.0) | VWR | 521-1751 | ||
| Reagents: | ||||
| Ethanol absolute | VWR | 20820.464 | ||
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | ||
| Sulfuric acid 5 mol/l (10N) AVS TITRINORM volumetric solution Safe-break bottle 2,5L | VWR | 191665V | ||
| Purified water (15 MΩ ressitance) | Elga | CENTRA R200 | ||
| Lignocellulosic biomass: | ||||
| Miscanthus X gigantheus | ||||
| Pinus sylvestris |
References
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Dincer, I. Renewable energy and sustainable development: a crucial review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 4 (2), 157-175 (2000).
- Zweibel, K., Mason, J., Fthenakis, V. A solar grand plan. Sci. Am. 298 (1), 64-73 (2008).
- Lee, J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. J. Biotechnol. 56 (1), 1-24 (1997).
- Carrott, P., Ribeiro Carrott, M. Lignin-from natural adsorbent to activated carbon: A review. Bioresour.Technol. 98 (12), 2301-2312 (2007).
- Cardona Alzate, C., Sánchez Toro, O. Energy consumption analysis of integrated flowsheets for production of fuel ethanol from lignocellulosic biomass. Energy. 31 (13), 2447-2459 (2006).
- Field, C. B., Campbell, J. E., Lobell, D. B. Biomass energy: the scale of the potential resource. Trends Biochem Sci. 23 (2), 65-72 (2008).
- Hoogwijk, M., et al. Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass Bioenergy. 25 (2), 119-133 (2003).
- Goldemberg, J. Ethanol for a sustainable energy future. Science. 315 (5813), 808-810 (2007).
- Himmel, M. E., et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315 (5813), 804-807 (2007).
- Mosier, N., et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour.Technol. 96 (6), 673-686 (2005).
- Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).
- Hu, F., Ragauskas, A. Suppression of pseudo-lignin formation under dilute acid pretreatment conditions. RSC Advances. 4 (9), 4317-4323 (2014).
- Chakar, F. S., Ragauskas, A. J. Review of current and future softwood kraft lignin process chemistry. Ind Crop Prod. 20 (2), 131-141 (2004).
- Mutjé, P., Pelach, M., Vilaseca, F., García, J., Jiménez, L. A comparative study of the effect of refining on organosolv pulp from olive trimmings and kraft pulp from eucalyptus wood. Bioresour.Technol. 96 (10), 1125-1129 (2005).
- Zhao, X., Cheng, K., Liu, D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 82 (5), 815-827 (2009).
- Brandt, A., Gräsvik, J., Hallett, J. P., Welton, T. Deconstruction of lignocellulosic biomass with ionic liquids. Green Chem. 15, 550 (2012).
- Chen, L., et al. Inexpensive ionic liquids:[HSO 4]−-based solvent production at bulk scale). Green Chem. 16 (6), 3098-3106 (2014).
- Brandt, A., Chen, L., van Dongen, B. E., Welton, T., Hallett, J. P. Structural changes in lignins isolated using an acidic ionic liquid water mixture. Green Chem. 17, 5019-5034 (2015).
- Sluiter, A., et al. NREL/TP-510-42621. Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples. , (2008).
- Sluiter, A., et al. NREL/ TP – 510 – 42618Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass. , (2011).
- Resch, M. G., Baker, S. R., Decker, NREL/TP-5100-63351. Low Solids Enzymatic Saccharificatin of Lignocellulosic Biomass. , (2015).
- Brandt, A., Ray, M. J., To, T. Q., Leak, D. J., Murphy, R. J., Welton, T. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
- Aver, K., Scortegagna, A., Fontana, R., Camassola, M. Saccharification of ionic-liquid-pretreated sugar cane bagasse using Penicillium echinulatum enzymes. J Taiwan Inst Chem Eng. 45 (5), 2060-2067 (2014).
- George, A., et al. Design of low-cost ionic liquids for lignocellulosic biomass pretreatment. Green Chem. 17 (3), 1728 (2015).
- Verdía, P., Brandt, A., Hallett, J. P., Ray, M. J., Welton, T. Fractionation of lignocellulosic biomass with the ionic liquid 1-butylimidazolium hydrogen sulfate. Green Chem. 16 (3), 1617-1627 (2014).
- Brandt, A., et al. Ionic liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid-water mixtures. Green Chem. 13 (9), 2489-2499 (2011).
